СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПОТОКА ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к способам использования энергии водных ресурсов для преобразования ее в тепловую, электрическую или механическую энергию привода механизмов.

Практически все способы преобразования энергии потока воды заключаются в том, что поток по водоводу подают к гидротурбине, соединенной с электрогенератором. Смотри, например, патенты [RU ? 157870 С2, Е02В 9/00, 05.03.1996; US 4276482 А, Н02К7/18, 30.06.1981].

Известно также, что преобразование энергии потока воды в тепловую энергию осуществляют с использованием теплогенераторов вращательного, типа. Смотри, например, патент [RU JV° 2235950 С2, F24J3/00, 22.07.2002].

Недостатком аналогов является то, что энергия движущейся воды с использованием традиционных генераторов электрической или тепловой энергии вращательного типа снимается с сечения водного потока там, где генератор установлен, а мощность потока воды в сечении существенно ограничена расходом и напором перед ним, то есть высотой плотины. Строительство плотин оказывается дорогостоящим и зачастую наносит большой экологический ущерб территориям.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при этом результату является патент [RU 2412302 А, Е02В9/00, 20.03.2009], согласно которому энергия периодически инициированного в водоводе гидравлического удара преобразуется в электрическую энергию при помощи линейных электрогенераторов. Недостатком прототипа является то, что кинетическая энергия всего потока воды в водоводе, согласно техническому решению, преобразуется только в электрическую энергию без утилизации тепловой энергии, которая выделяется при работе линейных электрогенераторов. Тепловая энергия составляет значительную величину от общей подводимой к линейному электрогенератору механической энергии.

Технической задачей, стоящей перед изобретением, является создание простого и некапиталоёмкого способа преобразования энергии потока воды и устройства для его реализации при минимальном экологическом ущербе для прилегающих территорий с максимально полным преобразованием энергии потока воды в полезную мощность.

Согласно изобретению техническая задача решается тем, что водоводы выполняют с возможностью радиального перемещения отдельных элементов его стенок (мембран). Устанавливают на неподвижных элементах стенок водоводов неподвижные части генераторов энергии, инициируют в водоводах при помощи ударного клапана периодический гидравлический удар, вызывают радиальную пульсацию перемещаемых элементов стенок водоводов (мембран), осуществляют возвратно-поступательный привод подвижных частей генераторов движением перемещаемых элементов стенок водоводов (мембран).

В предложенном способе кинетическая энергия всего объёма жидкости, движущейся с первоначальной скоростью на заданной длине водоводов, за короткий промежуток времени практически полностью преобразуется в механическую работу по перемещению подвижных элементов стенок водоводов (мембран). Исключение составляет незначительная часть кинетической энергии, которая преобразуется в потенциальную энергию упругой деформации воды и неподвижных элементов стенок водоводов. Затем, механическая работа возвратно- поступательного движения стенок водоводов преобразуется в электрическую и тепловую энергию или только в тепловую в зависимости от вида установленных преобразователей энергии (генераторов).

Для решения технической задачи используется устройство для преобразования энергии потока воды, содержащее водоводы и генераторы энергии, соединенные с водоводами. Устройство снабжено ударными клапанами для инициирования в водоводах периодического гидравлического удара, стенки водоводов выполнены из перемещаемых в радиальном направлении и неподвижных элементов, неподвижные элементы водоводов и неподвижные части генераторов жестко соединены между собой. Перемещаемые в радиальном направлении элементы водоводов, приводимые в движение принудительно инициируемым периодическим гидравлическим ударом, соединены с подвижными частями генераторов энергии с возможностью их совместного возвратно-поступательного движения. Генераторы энергии заключены в теплоизолированные рубашки, через которые прокачивают жидкие теплоносители, снимающие тепловую энергию с генераторов. Генераторы тепловой энергии выполнены в виде гидравлических амортизаторов, производящих при своей работе тепловую энергию. Генераторы электрической и тепловой энергии (когенерация энергии) выполнены в виде линейных электрогенераторов [«Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения» М.Я.Хитерер, И.Е. Овчинников, Санкт-Петербург, КОРОНА-принт, 2008, с.357], которые охлаждают жидкими теплоносителями, а полученная тепловая энергия утилизируется. Генераторы механической энергии выполнены в виде пар подвижных в радиальном направлении и неподвижных элементов стенок водоводов, совершающих при их относительном перемещении механическую работу привода механизмов возвратно-поступательного движения.

Гидроагрегаты, сооружают в виде водоводов, подвижные элементы которых (мембраны) способны к радиальным перемещениям под действием изменяющегося в водоводах давления, прикрепляют к подвижным элементам водоводов (мембранам) подвижные части генераторов энергии, создают в водоводах гидравлический удар с использованием специальных ударных клапанов [Гидравлика. Н.Н. Кременецкий, Д. В. Штеренлихт, В.М. Алышев, Л.В. Яковлева, М., Энергия, 1973, с. 215-217]. Гидроудар приводит к колебаниям давления в водоводах и радиальным перемещениям подвижных элементов водоводов, совершающих механическую работу.

Достигается возможность преобразования энергии потока воды в тепловую и/или электрическую энергию без перекрытия водотоков высокими и массивными плотинами.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена схема устройства для преобразования энергии потока воды. Стрелкой показано направление течения воды. Гидроагрегат содержит ударный клапан 1, автоматически инициирующий гидравлический удар в подводящем водоводе 2. На теле подводящего водовода 2 установлены генераторы тепловой и/или электрической энергии 3 с теплоизолированными рубашками и приводом в виде подвижных в радиальном направлении элементов стенок водовода (мембран), преобразующих ударные колебания давления, инициируемые в водоводе, в механическую работу возвратно- поступательного движения.

Работает устройство следующим образом: под действием гидродинамического напора воды перед гидроагрегатом, ударный клапан 1 инициирует периодический гидравлический удар в подводящем водоводе 2, который приводит в возвратно-поступательное движение подвижные части генераторов 3. Если гидродинамического напора воды в реке не хватает для инициирования достаточной энергии гидравлического удара в подводящем водоводе, то перед гидроагрегатом устанавливается небольшой водослив для увеличения напора, подводимого к гидроагрегату потока воды.

Как видно, устройство гидроагрегата имеет преимущество перед аналогами и прототипом в том, что оно проще по конструкции и в монтаже. Устройство преобразовывает более полно энергию потока воды в тепловую и электрическую энергию (когенерация), по сравнению с аналогами, при одинаковых значениях напора и расхода воды. Устройство имеет круглогодичный режим эксплуатации, так как может быть установлено и работать под поверхностью льда в водотоке, не требует сооружения высотных и массивных плотин.

Способ преобразования энергии реализуют следующим образом. В водоводе 2 с использованием ударного клапана 1 создают периодический гидравлический удар, который приводит к колебаниям давления в водоводе и радиальным перемещениям отдельных элементов стенок водовода (мембран), приводящих в действие генераторы энергии. После съёма с генераторов преобразованной энергии следует пауза, необходимая для инициирования нового гидравлического удара в водоводе при помощи ударного клапана, и процесс повторяется. Для непрерывного снятия полезной мощности необходимо иметь несколько одинаковых гидроагрегатов, работающих в противофазе, или устанавливать перед генераторами накопители механической энергии.

Использование заявленного технического решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает выработку значительного количества тепловой и электрической энергии (когенерация энергии) при малом расходе и напоре воды перед гидроагрегатами, т.е. без возведения высотных, массивных плотин и при минимальном экологическом ущербе для прилегающих к водотокам территорий.